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1、回归渲染本质回归渲染本质物理光学原理物理光学原理教程 回归渲染本质物理光学原理趁着工作外闲暇，学习 Vray 充充电已有 1 个礼拜。想想当初的两个幼稚求助帖，很是搞笑，让人想帮都无处入手啊。5 N4 q8 J( O Y! 5 h“ e0 r1 # q C几天实践下来，初步掌握了一些渲染技巧。但是越往里研究，越发现自己物理基础的薄弱，因为 Vray 的渲染都是建立在发射、散射、反射、折射等等光学现象的基础上。所以赶紧从网上搜索各种资料，来补充不足。不能理解这些基本原理，永远只能是渲染的门外汉。我觉得那些渲染界高人，至少也可算得上是半个物理光学工程师了。也难怪世界上那么多建筑设计师，往往又是出色
2、数学家。. M6 : A/ b7 C7 c6 : E j# r- x0 常见名词：1. 放射由一点向四外射出。例子：太阳的光向四面放射热量。2. 反射光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象_ 理解光的反射定律1）在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内1 ! p1 j1 C4 j7 c* 9 _9 ?9 I7 2）反射光线，入射光线分居法线两侧/ V |* b* o) N7 r可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”+ |6 b4 ; V* E# + g3. 漫反射详见百度百科 http:/ I0 V x/ p1 F% r0 4. 折射详见百度百科 http:/
3、 J7 V4 T5 A1 p) T) L- E9 l! e6 |8 t 6 v* Rt=650761，整理译文如下。$ i$ O6 C. + K0 m7 r# B6 u$ E7 b5 h渲染效果要真实，除了灯光、GI 参数设置外，材质设置也是非常重要的因素，材质主要通过不同的 Shaders（明暗器）来模拟真实世界的光影变化，在 CGTalk 中， The Science Of CG这篇帖子对材质进行科学的深度讨论，同时也涉及到 RAW 格式与光谱算图。在这篇帖子中，乌克兰网友 mister3d 与 playmesumch00ns 提供了很棒的讨论与插图。3 A3 D1 e7 f5 * cDt
4、ox 提到：8 z( t; K# |# y“ k在同类标题的帖子中，都没有进行真正深入讨论，即使网友的回复都是有益的，但并没有给任何人真正讨论方向。有位网友想知道光是如何运行的，这样一来他可以将光的理论套用到软件中。我认为这是每个都想知道的，也是应该知道的。大多数的答复是“去学习一下艺术理论”或“管他的，只要调整参数看起来像，就对了” 。虽然这样说有其原因，但我还有更中庸的做法。学习传统艺术能够更了解 CG 原理，但理论与实际之间还有其他的灰色地带，尤其是关于打灯照明技术上。% O2 # p/ u4 a1 w/ G+ Z$ w5 H光符合物理法则，如果了解这些物理学，调整 CG 光线时就够能得
5、心应手。例如“平方反比定律”并不只适用于光线，在 CG 世界中，也可以应用在照明技术。平方反比定律是指物体与光线的距离每增加一倍，光照强度就是原来的四分之一。5 V+ e% r5 D: n5 n2 N r如果是刚接触 CG 照明，并希望得到真实的渲染效果，掌握一定的物理学很重要，就我个人而言是对物理学是非常感兴趣的。0 q“ C: O0 S- v5 # Z1 l9 b1 V% J1 X; F0 z$ dCryptosporidium 回复：% F- w/ w* a$ T我喜欢用“物理正确”的方式去做灯光照明。但只有极少数人关心物理学，而大绝大部分的电影制作会从艺术的角度来调整光线，无论物理上正
6、确与否，而且导演要的东西常常都不是物理精确的效果。有趣的是，如果真的用所谓的物理精确的参数去计算 CG 照明，算图时间可能会在百万年后才会计算完（reach astronomic values） 。也许这也是为什么这样的帖子没有受到足够的重视，但了解物理学可以帮助您的工作。! r) i4 y1 L( m% u8 y) MMister3d 回复：- Y R e; i V( ; s4 k* E CG 照明分有直接照明和间接照明的区别，前者是指光线打在物体表面就停住了，并没有光线的反弹，而这种情况并不会发生在真实世界。* l( k( X6 j- S2 c“ z4 G“ G0 b我认为能量守恒定律可应
7、用到任何反射材质上，这个反射数值不能超过光源的强度，所以反射光线会比原始光线暗，同时光线是以平方反比做衰减。. 5 ?) v Z v; c9 E8 N 当光线打到物体表面可能会发生吸收、反射、折射（或不完全折射） 。反射或折射有可能是漫射性或高光性质（Specular） 。如果光线在漫射性质的表面反射则会发生混色现象（color-bleeding） 。$ z+ q! ; h, k/ L; |8 p 如果光线在 Specular 的表面反射则会发生 Reflect Caustics（反射焦散）现象。( k. k# _( v2 y Y 如果光线穿透折射物质则会发生Refract Caustics（
8、折射焦散）现象。2 I8 J( O6 n+ q+ l, ?( W- | 如果光线被物质表面吸收并产生些 diffused refraction（微漫射折射） ，则会发生 Sub-Surface Scattering（次表面散射）现象。吸收光是漫射折射外加漫射属性，这种现象以皮肤为例就是由水和肉构成，因此会同时有散射与折射的性质。$ 6 u5 x Y- 0 除此之外，还有就是 Caustics Dispersion of Refraction（焦散散射折射）现象，这种现象相当罕见，比如钻石，看起来就是彩色的折射。 v1 V6 H1 U7 a# S+ Y3 * K7 S: 4 I8 e+ M光源可
9、能距离非常遥远，这种情况我们就不使用平方反比定律（但据我理解，还是有衰减现象，为了计算方便不考虑衰减，否则就需要将光源放在亿万英里远的距离，就好像太阳到地球的距离一样，所以只好省略这类光源的平方衰减性质） ，当光源不亮也不远，可以套用平方衰减定律。如此就得出一个非常重要的观念场景单位的重要性，因为光的衰减和光源所在的空间尺度有关，而且光线阴影的锐利度受到光源大小所影响。 7 |5 P3 9 N4 h6 v* “ - C 有一个定律是说：反射优先于漫射，而折射优先于反射。这表示，如果有一个如果金属之类的强烈反射材质，几乎是看不到漫射效果，因此，100%=0%的漫射。100%的折射情况下能看到一点
10、反射效果，但是漫射则完全看不到（这时漫色设置为黑色最好） 。! G O( m“ |$ r所有的物质都会反射，已知物种中反射率最低的物质也有0.045 的反射率，大部分的物质表面具有漫射性的反射，镜面反射则很少见。由于任何物质表面都有许多 microfaceted（微小的结构面） ，而这些结构不容易被肉眼观察出来，如果是镜面反射的话，微表面产生的反射射线是往同一个方向，漫射反射则是由表面产生的反射方向是多方向得来的。 X+ ) L4 w# : z4 R# 这个世界上有两种类型的材质：金属和其他材质。所有材质都会有 Fresnel（菲涅尔）反射效果，所以，每次都应该套用这样的反射类型。Fresne
11、l 实际上并不是简单的衰减曲线效果，一开始是缓曲线，然后在端点的地方有陡峭的线段。而金属有更加突出的反射属性，漫射建议设置为黑色，因为这时反射是优先计算的。1 ?8 R! W/ d# k只有金属会有彩色的反射效果，因此，如果需要制作任何非金属的反射效果，只会是黑白反射而已。这里反射光看起来有颜色，是因为它们反射颜色，而不是因为材质将反射光线染色。因此，当使用黑白的贴图在材质上时，反射光只会反射光源的颜色，换句话说也就是说只有金属材质会将反射光着色，而其他材质不会。- - T: c8 g9 p( U$ G, 还有一个数值：反射折射率和折射反射率，这两个数值一定相同，可以在各种参考资料中查到真实世
12、界各种事物的具体数值，这些数值会控制物体反射/折射的效果，同样的数值在导电物质上只是会稍微亮一点。2 G: A( V“ Z; l/ s9 O, b1 ZPlaymesumch00ns 回复：) P5 E4 z8 ?/ G- Y$ # L 景深发生的原因，是因为透镜的聚焦光线来自于一个圆锥的顶点投射到底片盒，这个圆锥的长度与物体到相机的距离，和镜头在相机中的位置有关。如果底片没有恰好摆在这个圆锥的顶点位置，则圆锥与底片会形成一个圆形的交错（the circle of confusion） ，这就是为何当 3D 的点投射到底片时会变成圆形，而且影像会变得模糊。$ : * 2 I6 F 对于 mis
13、ter3d 的回复，我想纠正一下，材质只有金属和非金属两种类型的定义并不准确，这两种类型应该是指导电材质和非导电材质，当然在大多数情况正常可以理解为金属和非金属。而且当光子打到物体表面时，会发生吸收、反射和穿透三种现象。1 I( , p Z/ W5 n, Z3 w4 l4 u4 t0 k# u$ G7 ?. r 1吸收/ C+ e, , L/ m0 C$ K5 p 吸收是光能转化为热能，并逐渐消失，当然这不是真的消失了，但在渲染时并不需要关心热能。实际应用时，表示任何材质都不该有 100%的反射属性，如果你想制作真实的材质效果。5 f* n9 K B 非导电材质的反射总是与光源颜色相同，所以产
14、生的反射是白色的，而导电物质则会让反射的光线带有颜色。导电物质会反射出怎么颜色的反射光线是根据材质的化学结构与光线的入射角度有关。例如光线撞击到黄金表面，比较浅的入射角所产生的黄色会比直接打到黄金表面的光线颜色不容易察觉。9 A“ ( L, p0 m8 x) z( B _+ l e/ u9 X3Transmission（穿透）6 e) 6 E4 O/ n d8 p: p0 h光线穿透到物质内部就是折射，改变了光线的运动方向，确切的光线折射方向是根据材质的折射率以及光线的入射角决定的。表面的 microgeometry 可能会导致光线往多个方向分散运动，就好像Diffuse Reflection
15、 或 Glossy Reflection 那样，这样可造成如磨砂玻璃产生的雾效果。, O. o, E1 n- st=188341，如果想制作物理写实的算图效果，就必须要控制这些参数，最后是通过渲染器实现这个目标，无论是利用先进的算法或是非物理算法来计算。: C) C( ; x9 X“ c$ T9 L h以上是基本解释。6 y6 O* J! H# V! u! p, M6 q5 Q0 W- i9 n% _ Playmesumch00ns 回复：“ D* / . w1 q0 A4 ! ? 真实世界中，最反光的材料是Spectralon，可以反射大约 90%的入射光，基本接近 Lambertian 的方式反射，而一张白皮书的反射率大约有 80%。反射率最低的材料是 Iirc，大约只有 3%的反射，当然在实验室只可以会有 1%或更低反射率的物质。
